BENZÈ: HISTÒRIA, ESTRUCTURA, PROPIETATS, DERIVATS, USOS - QUIMICA - 2025

El benzè és un compost orgànic que consisteix en un dels hidrocarburs aromàtics més simples de tots. La seva fórmula química és C ₆ H ₆, de la qual se sap que la relació entre carboni i hidrogen és igual a 1; és a dir, que per cada carboni hi ha un hidrogen enllaçat a aquest.

Encara que la seva aparença física sigui la d'un líquid incolor, es troba naturalment en el petroli i els productes derivats de la mateixa. La seva olor és molt característic, ja que s'assembla a una barreja de cola, betum i gasolina; d'altra banda, es tracta d'un líquid volàtil i inflamable.

Flascó amb benzè. Font: Air1404

A la imatge superior es mostra un recipient o flascó amb benzè, presumiblement d'una puresa no analítica. Si es destapés, immediatament els vapors de l'benzè s'escamparien per tot el laboratori. Per aquesta raó aquest líquid, emprat comunament com a simple solvent, es manipula dins d'una campana extractora de gasos.

A l'ésser la seva fórmula C ₆ H ₆, els químics de segle XIX van plantejar nombroses estructures possibles que corresponguessin a aquesta proporció C / H igual a 1. No només això, sinó que la molècula de benzè havia de tenir enllaços especials de tal manera que pogués explicar-se seva inusual estabilitat enfront de les reaccions d'addició; típiques per als alquens i poliens.

Va ser així que els seus enllaços van representar un enigma per als químics de llavors; fins que es va introduir la propietat anomenada aromaticitat. Abans considerat 01:00 hexaciclotrieno (amb tres enllaços C = C), el benzè és molt més que això, i és un altre dels tants exemples de sinèrgia en la química.

En química orgànica, el benzè és un símbol clàssic, base estructural per a múltiples compostos poliaromàtics. De la seva hexàgon s'obtenen sens fins de derivats via substitució electrofílica aromàtica; un anell de les vores es trama l'estructura que defineix nous compostos.

De fet, als seus derivats se li deu els vasts usos industrials per als que necessiten benzè entre la seva matèria primera. Des de la preparació de coles i fibres tèxtils, fins plàstics, cautxús, pigments, fàrmacs i explosius. D'altra banda, naturalment el benzè es troba en els volcans, incendis forestals, gasolina i en el fum de les cigarretes.

història

Descobriment i noms

El seu descobriment es remunta a 1825, adjudicat normalment a Michael Faraday, quan va recol·lectar i va fer experiments amb un oli romanent producte de el gas utilitzat per a la il·luminació. Aquest líquid contenia una proporció C / H propera a 1, raó per la qual el va anomenar 'hidrogen carburado'.

El químic Auguste Laurent va nomenar a l'estrany hidrocarbur 'feno', derivat de la paraula grega 'phaínein' que significa brillant (a causa de que s'obtenia després que el gas cremés). No obstant això, aquest nom no va ser acceptat per la comunitat científica i va prevaler únicament com 'fenil', per referir-se a l'radical derivat de l'benzè.

A partir de la goma d'benzoïna el químic Eilhard Mitscherlich, nou anys després, va aconseguir produir el mateix compost; es tenia per tant una altra font per al mateix hidrocarbur, a el qual va batejar com 'benzina'. No obstant això, tampoc van considerar el nom apropiat per assumir que es tractava d'un alcaloide, com la quinina.

Així, van substituir el nom 'benzina' per 'benzol'. Emperò, novament hi va haver contradiccions i discrepàncies arran que el terme 'benzol' confonia a l'hidrocarbur per un alcohol. Va ser llavors quan va néixer el nom 'benzè', emprat primerament a França i Anglaterra.

producció industrial

Ni el gas d'il·luminació ni la goma de benzoïna eren fonts apropiades per generar el benzè a grans escales. Charles Mansfield, treballant amb August Wilhelm von Hofmann, va aconseguir el 1845 aïllar el benzè (vint anys després del seu descobriment) de l'quitrà d'hulla, producte lateral de la producció de coc.

Va ser així que va iniciar la producció industrial de benzè a partir de l'quitrà d'hulla. La disponibilitat de l'benzè en massives quantitats, va facilitar l'estudi de les seves propietats químiques i va permetre relacionar-lo amb altres compostos de reactivitats similars. El mateix August Wilhelm von Hofmann va encunyar la paraula 'aromàtic' per al benzè i els compostos afins.

estructures històriques

El somni d'August Kekulé

A Friedrich August Kekulé se li adjudica l'estructura hexagonal i cíclica de l'benzè al voltant de l'any 1865, sorgida d'un estrany somni amb Uroboros, la serp que mossega la seva pròpia cua dibuixant un cercle. Així, creia que el benzè podia considerar-se com un anell hexagonal, i altres químics van plantejar possibles estructures, les quals es mostren a sota:

Estructures per l'anell benzè proposades al llarg de la història. Font: Dj

Alguna de les estructures superiors podien justificar l'estabilitat de l'benzè.

Llibre, anells i prisma

Cal notar que la tercera estructura ni tan sols és un anell sinó un prisma triangular, proposat Albert Ladenburg en 1869; a la seva esquerra, una amb forma de llibre obert, proposada per Sir James Dewar el 1867; ia la seva dreta, una amb totes les hidrògens dirigits cap al centre de l'anell, proposada per Henry Edward Armstrong en 1887.

La primera estructura, proposada per Adolf Karl Ludwig Noel en 1867, també és força peculiar, ja que els enllaços CC es troben creuats. I l'última, va ser l'anell "serpentino" de Kekulé, somiat en 1865.

Quina va ser la "guanyadora"? La cinquena estructura (d'esquerra a dreta), proposada el 1899 per Johannes Thiele.

En aquesta es va considerar pel vegada el híbrid de ressonància, el qual combinava les dues estructures de Kekulé (voltegi el primer anell de la dreta per observar-la) i explicava extraordinàriament la deslocalització dels electrons i, amb això, la fins llavors inusual estabilitat de l' benzè.

Estructura de el benzè

Anell aromàtic de l'benzè. Font: Benjah-bmm27

A dalt es mostra l'estructura proposada per Thiele mitjançant un model d'esferes i barres.

La molècula de benzè és plana, amb els àtoms d'hidrogen apuntant cap a fora dels laterals de l'anell. Tots els àtoms de carboni tenen hibridació sp ², amb un orbital p disponible per establir el sistema aromàtic en el qual deslocalitzen 6 electrons.

Aquests carbonis sp ² són més electronegatius que els hidrògens, i per tant, els primers retiren densitat electrònica als segons (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +}). En conseqüència, el centre de l'anell presenta una major concentració d'electrons que els seus laterals.

Més precisament, el sistema aromàtic pot representar-se com un núvol o coixinet electrònica dilatada per les dues cares de l'anell hexagonal; i en el medi, pels laterals o vores, una deficiència electrònica conformada per hidrògens amb càrrega parcial positiva.

Gràcies a aquesta distribució de les càrregues elèctriques, les molècules de benzè poden interactuar entre si mitjançant forces dipol-dipol; els àtoms H ^{δ +} senten atracció pel centre aromàtic d'un anell veí (més avall es representarà això).

Així mateix, els centres aromàtics poden apilar un sobre l'altre per afavorir la inducció dels dipols instantanis.

ressonància

Estructures i híbrid de ressonància de l'benzè. Font: Edgar181 de Wikipedia.

A la part superior de la imatge es mostren les dues estructures de Kekulé, i sota d'elles, l'híbrid de ressonància. Com les dues estructures es succeeixen una vegada i una altra en un mateix temps, l'híbrid es representa amb un cercle dibuixat en el medi (similar a el d'una "rosquilla hexagonal").

El cercle de l'híbrid és important perquè indica el caràcter aromàtic de el benzè (i el d'altres tants compostos). A més, assenyala que els enllaços no són tan llargs com CC, ni tampoc tan curts com C = C; sinó que la longitud dels mateixos es troba entre els dos extrems. És així que a l'benzè no se'l considera un Polieno.

El que s'ha dit anteriorment s'ha demostrat per al mesurament de les longituds dels enllaços CC (139 pm) de l'benzè, els quals són una mica més allargats que els enllaços CH (109 pm).

vidres

Estructura cristal·lina ortorrómbica de l'benzè. Font: Ben Mills

El benzè és un líquid a temperatura ambient. Les seves forces intermoleculars fan que, tot i no tenir un moment dipolar tan pronunciat, pugui mantenir unides les seves molècules en un líquid que bull a 80ºC. Quan la temperatura descendeix per sota dels 5ºC, el benzè comença a congelar-: i així s'obtenen els seus corresponents vidres.

Els anells de benzè poden adoptar patrons estructurals definits en el seu sòlid. Els seus dipols fan que es "ladeen" cap a l'esquerra o dreta, formant files capaços de reproduir-se mitjançant una cel·la unitària ortorrómbica. Així doncs, els vidres de benzè són ortorrómbicos.

Cal notar en la imatge superior que a l'inclinar-els anells s'afavoreixen les interaccions entre els H ^{δ +} i els centres aromàtics, esmentades en subapartats anteriors.

propietats

massa molecular

78,114 g / mol.

aparença física

Líquid incolor amb una olor semblant a el de la gasolina.

Punt d'ebullició

80ºC.

Punt de fusió

5,5ºC.

Punt d'ignició

-11ºC (copa tancada).

Temperatura d'autoignició

497,78ºC.

densitat

0,8765 g / ml a 20ºC.

solubilitat

Un litre d'aigua bullint amb prou feines pot dissoldre 3,94 g de benzè. El seu caràcter apolar ho fa pràcticament immiscible amb l'aigua. No obstant això, sí que és miscible amb altres solvents, com ara etanol, èters, acetona, olis, cloroform, tetraclorur de carboni, etc.

Densitat de vapor

2.8 en relació a l'aire (és a dir, gairebé tres vegades més dens).

Pressió de vapor

94,8 mmHg a 25ºC.

Calor de combustió

-3.267,6 kJ / mol (per al benzè líquid).

Calor de vaporització

33,83 kJ / mol.

tensió superficial

28,22 mN / ma 25ºC.

Índex de refracció

1,5011 a 20ºC.

derivats

Els hidrògens de l'benzè poden ser substituïts per altres grups o àtoms. Hi pot haver una o més substitucions, augmentant el grau de substitució fins que dels sis hidrògens originals no quedi cap.

Per exemple, asúmase el benzè com Ph-H, on H és qualsevol dels seus sis hidrògens. Recordant que el centre de l'anell té major densitat electrònica, atreu electròfils, els quals ataquen a l'anell per substituir l'H en una reacció anomenada substitució electrofílica aromàtica (SEAr).

Si aquest H se substitueix per un OH, es tindrà el Ph-OH, fenol; substituint per un CH ₃, Ph-CH ₃, toluè; si es tracta d'NH ₂, Ph-NH ₂, anilina; o si és el CH ₂ CH ₃, Ph-CH ₂ CH ₃, etilbenzè.

Els derivats poden ser iguals o més tòxics que el benzè, o per contra tornar-tan complexos que arribin a exercir un efecte farmacològic desitjable.

usos

És un bon solvent per a una àmplia varietat de compostos, presents per exemple en les pintures, vernissos, adhesius i revestiments.

Així mateix, pot dissoldre olis, greixos o ceres, de manera que s'ha fet servir com a solvent extractor d'essències. Aquesta propietat va arribar a utilitzar-se per Ludwig Roselius el 1903 per descafeïnar el cafè, operació ja en desús per la toxicitat de l'benzè. Igualment, es va utilitzar en el passat per desengreixar metalls.

En un dels seus usos clàssics no actua com a solvent sinó com a additiu: augmentar el octanatge de la gasolina, substituint el plom per a aquest fi.

Els derivats de l'benzè poden tenir diferents usos; alguns serveixen com pesticides, lubricants, detergents, plàstics, explosius, perfums, colorants, coles, drogues, etc. Si en la seva estructura s'observa un anell benzènic, és bastant probable que la seva síntesi hagi partit de l'benzè.

Entre els seus derivats més importants estan: cumeno, xilè, anilina, fenol (per a la síntesi de resines fenòliques), àcid benzoic (conservant), ciclohexà (per a la síntesi de l'niló), nitrobenzè, resorcinol i etilbenzè.

Nomenclatura

La nomenclatura dels derivats de l'benzè varia depenent de l'grau de substitució, de quins són els grups substituents, i de les seves posicions relatives. Així, el benzè pot patir mono, di, tri, tetra, etc., substitucions

Quan els dos grups estan enllaçats a carbonis adjacents, s'utilitza la denominació 'orto'; si hi ha un carboni pel mig separant-los, 'meta'; i si els carbonis estan en posicions oposades, 'per a'.

A les imatges inferiors es mostren exemples de derivats de benzens amb els seus noms respectius regits per la IUPAC. Així mateix, estan acompanyats pels noms comuns o tradicionals.

Monoderivados de l'benzè. Font: Gabriel Bolívar.

Altres derivats de l'benzè. Font: Gabriel Bolívar.

Cal notar que en el benzè trisustituido els indicadors orto, per i meta deixen de ser útils.

toxicitat

El benzè és un compost que ha de manipular amb cura. Donat el seu particular olor, els efectes negatius immediats poden ser l'asfíxia, marejos, mals de cap, tremolors, somnolència, nàusees, i inclusivament la mort (davant d'una elevada exposició). Si s'ingereix, a més del ja esmentat, pot causar aguts dolors d'estómac i convulsions.

A més, els efectes a llarg termini sota constant exposició a aquest líquid són cancerígens; augmenta les probabilitats que l'individu pateixi d'algun tipus de càncer, especialment el de la sang: leucèmia.

A la sang pot disminuir la concentració dels glòbuls vermells, provocant anèmia, i afectar més la medul·la òssia i el fetge, on s'assimila per l'organisme per generar derivats de benzè encara més tòxics; per exemple, la hidroxiquinona. També s'acumula als ronyons, cor, pulmons i cervell.

referències

1. Morrison, RT i Boyd, RN (1987). Química Orgànica. (5a Edició). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Química Orgànica. (6ta Edició). McGraw-Hill, Interamericà, Editors SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10th edition.). Wiley Plus.
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Benzene. PubChem Database. CID = 241, Recuperat de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzene. Recuperat de: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). What is Benzene? - Usis, Structure & Formula. Study. Recuperat de: study.com
7. Centers for Disease Control and Prevention. (04 de abril del 2018). Facts about benzene. Recuperat de: emergency.cdc.gov
8. World Health Organization. (2010). Exposure to benzene: a major public health concern.. Recuperat de: who.int
9. Fernández Germán. (Sf). Problemes nomenclatura benzè. Química Orgànica. Recuperat de: quimicaorganica.org